Главная   Проекты   Солнечная энергетика   Разработка фотопреобразователей солнечной энергии на основе наноразмерных органических полимерных полупроводниковых материалов

Разработка фотопреобразователей солнечной энергии на основе наноразмерных органических полимерных полупроводниковых материалов

Разработка фотопреобразователя солнечного энергии (ФСЭ) на гибкой основе с тонкослойными активными элементами из органических полимерных полупроводниковых материалов (ОППМ), включающих наноразмерные частицы органического соединения и/или металлов.

(Совместно с лабораторией фотоники и электроники полимерных наноматериалов)

Развернутое описание проекта

Для достижения цели проекта сначала будет установлена корреляция между электрофизическими свойствами и структурой тонкого слоя органического материала в результате исследования электрофизических и фотоэлектрических свойств тонких слоев полимерных материалов. Будут отработаны методы приготовления тонких слоев полимерных композиций, включающих наноразмерные частицы органического соединения (фуллерены, нанофибриллы фталоцианинов, порфиринов, углеродные нанотрубки) и/или металлов (Au, Ag). Будет изучена структура приготовленных слоев методами зондовой микроскопии, электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. В качестве подложки будут использованы стеклянные пластины и гибкие полимерные пленки с электропроводящим прозрачным слоем In2SnOx. Будут отобраны органические слои, перспективные для разработки ФСЭ с требуемыми характеристиками.

Далее, основываясь на хорошо изученных принципах функционирования устройств ФСЭ, будут разработаны солнечные фотопреобразователи. Для однослойных фотопреобразователей будут использованы фоточувствительные полимерные композиции, представляющие собой донорно-акцепторную систему, в которой в качестве электрон-донорного соединения выступает полимер, а электрон-акцепторным соединением служат органические нанокристаллы и агрегаты. Эти компоненты образуют объемные гетеропереходы и эффективные каналы для раздельного транспорта фотогенерируемых электронов и дырок. Двухслойные устройства будут состоять из органических материалов, у которых энергетические уровни молекул предполагают эффективный перенос электронов (дырок) между слоями при фотовозбуждении.

Предлагается для увеличения квантовой эффективности фотогенерации носителей заряда использовать наночастицы металлов. Известно, что вблизи искривленной поверхности металла (с радиусом кривизны несколько нанометров) могут возникать поверхностные плазмон-поляритоны, имеющие поглощение в видимой и инфракрасной области спектра. Известно также, что плазмон-поляритоны обмениваются энергией с органическими молекулами, находящимися в непосредственной близости от поверхности металла – до третьего молекулярного слоя. Таким образом, введение наночастиц металлов позволит более эффективно поглощать солнечных свет и увеличить кпд ФСЭ.

На основании полученных данных будут определены оптимальные параметры солнечного фотопреобразователя (структура, органические материалы для фотоактивных слоев, толщина этих слоев, материал электродов), обеспечивающие кпд не менее 5%. При этом будут отработаны технологические цепочки приготовления тонких слоев органических материалов, а также технология изготовления ФСЭ в лабораторных условиях.

Другие лаборатории и учреждения, задействованные в проекте

  1. Лаборатория физикохимии наноструктур НЭТ, рук. В.М. Рудой, приготовление наночастиц металлов и их характеризация.
  2. Лаборатория теоретической физики и квантовой электроники НЭТ, рук. И.Е. Проценко, теоретический анализ экспериментальных данных.
  3. Кафедра физики МИФИ, проф. В.Р. Никитенко, теоретическое моделирование процессов переноса и рекомбинации носителей заряда в полимерных слоях.

Цели проекта

Целью проекта является разработка лабораторного макета фотопреобразователя солнечной энергии на основе полимерных полупроводниковых материалов и их нанокомпозитов с кпд не менее 5%.

Актуальность разработок на российском и зарубежном рынках

В связи с непрерывным обострением экологических проблем, а также удорожанием и постепенным истощением запасов традиционных энергоносителей (прежде всего нефти и газа), возобновляемая энергетика считается весьма перспективной отраслью экономики. В текущем десятилетии в мировой энергетике на основе возобновляемых источников энергии наблюдаются весьма высокие темпы роста и инвестиционная активность. Наиболее перспективным возобновляемым источником электроэнергии является солнечная энергия. В настоящее время доля солнечной энергетики на мировом рынке возобновляемой энергетики составляет примерно 5%. Развитие мировой солнечной фотоэнергетики связано с масштабными программами поддержки возобновляемой энергетики, реализуемыми в высокоразвитых странах Европы, а также в США, Японии. Правительственная поддержка возобновляемой энергетики и, в частности, солнечной энергетики, стимулировала в последнее десятилетие ежегодное увеличение объемов производства солнечных элементов в среднем на 30-40%. В России, несмотря на широкое практическое использование солнечных батарей для энергетических целей в космических аппаратах и орбитальных станциях, крупномасштабного производства наземных фотоэлектрических установок пока нет. Однако в последние два года рынок возобновляемых источников энергетики в России, в частности фотоэлектричества, является одним из самых перспективных. В связи с этим появился ряд проектов по производству солнечных фотоэлементов. Так, корпорация РОСНАНО и Группа компаний «Ренова» приступают к созданию в России производства солнечных батарей на основе кремниевых полупроводников.

В то же время научные центры и фирмы ведут исследования и разработки фотопреобразователей солнечной энергии на основе фоточувствительных органических и полимерных полупроводников. Такие фотопреобразователи отличаются простотой технологии изготовления, дешевизной исходных компонентов, а также возможностью получения гибких панелей преобразователей большой площади. Эти качества позволяют им найти свой сектор в рынке солнечной фотоэнергетики, а также делают их конкурентоспособными с традиционными солнечными батареями. Создание полимерных фотопреобразователей способствует освоению дешевых, экологически чистых солнечных электростанций, которые в комплексе с высокоемкими полимерными аккумуляторами сократят количество вредных выбросов в атмосферу, что решает еще одну острую проблему современности.

Общие характеристики продукта

В результате выполнения проекта будут приготовлены лабораторные макеты фотопреобразователя солнечной энергии на гибкой основе со следующими характеристиками:

Коэффициент полезного действия, % не менее 5*
Мощность солнечного света, мВт/см2 86
Напряжение холостого хода, В в пределах 0.5 - 0.6
Линейные размеры элемента ФСЭ, мм. 20 х 20
Толщина элемента ФСЭ, мм. 2
Подвижность носителей заряда в ОППМ, см2/Вхс не менее 1х10(-6)

Область применения

Пленочные фотопреобразователи солнечной энергии на гибкой основе предназначены служить дополнительным и во многих случаях альтернативным источником электроэнергии. Благодаря легкой конструкции и относительно невысокой стоимости они перспективны для применения как в условии городов и мегаполисов, так и в загородных и труднодоступных местах.

Существующие аналоги

Существует зарубежный аналог гибкого фотопреобразователя солнечной энергии. Он производится фирмой Konarka Technologies, Inc. Кпд устройства около 1,5%.

Подчеркнем, что самый высокий к.п.д. фотопреобразователя солнечной энергии на основе полимерных полупроводниковых материалов, полученный на лабораторном образце, равен 6.1% (см. S.H. Park, A. Roy, S. Beaupre, S. Cho, N. Coates, J.S. Moon, D. Moses, M. Leclerc, K. Lee and A.J. Heeger // Nature Photonics, vol. 3, p. 297, May 2009).

Сведения о публикациях, патентах и лицензиях

Идет патентование.

Список публикаций участников проекта за последние 3 года

  1. А.В. Ванников. Полимеры с электронной проводимостью и устройства на их основе. Высокомолек. соед. А. 2009. Т. 51. №4. С.1-25.
  2. A.R. Tameev, S.V. Novikov, A.V. Vannikov, E.M. Nechvolodova, S.A. Arnautov. Charge Mobility and Photovoltaic Behavior of MEH-PPV Films Prepared by Various Methods. Proc. of the IEEE Fourth World Conference on Photovoltaic Energy Conversion. (IEEE, New York, 2006), Vol. 1, P. 244 – 246.
  3. Y.F. Huang, A.R. Inigo, C.C. Chang, K.C. Li, C.F. Liang, C.W. Chang, T.S. Lim, S.H. Chen, J.D. White, U.S. Jeng, A.C. Su, Y.S. Huang, K.Y. Peng, S.A. Chen, W.W. Pai, C.H. Lin, A.R. Tameev, S.V. Novikov, A.V. Vannikov and W. Fann. Nanostructure-dependent Vertical Charge Transport in MEH-PPV Films. Adv. Funct. Mater. 2007. V.17. N.15. P.2902-2910.
  4. A.R. Tameev, L. Licea Jiménez, L.Ya. Pereshivko, R.W. Rychwalski, A.V. Vannikov. Charge Carrier Mobility in Films of Carbon-Nanotube-Polymer Composites. J. Phys.: Conf. Series. 2007. V.61. P. 1152-1156.
  5. A.R. Tameev. Charge Mobility in Polymer Systems. Nonlinear Optics and Quantum Optics. 2007. V.37. N.1-3. P. 185-195.
  6. А.Р. Тамеев, С.В. Новиков, А.В. Ванников. Транспорт заряда в полимерных композициях, включающих нанокристаллы. Росс. нанотехнологии. 2007. Т.2. №11-12. С.97-98.
  7. А.Р. Тамеев, С.В. Новиков, А.В. Ванников. Транспорт заряда в полимерных композициях, включающих нанокристаллы. Химия высоких энергий. 2008. Т.42. №4(прил.). С.77-78.
  8. В.А. Колесников, М.Г. Тедорадзе, А.Р. Тамеев, А.В. Ванников. Влияние света на эффект переключения проводимости тонких полимерных пленок. Высокомолек. соед. Б. 2008. Т.50. №12. С.2126-2166.
  9. A.R. Tameev, L.Ya. Pereshivko, A.V. Vannikov. Charge Carrier Mobility in Films of Carbon-Nanotube-Polymer Composites. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2008. V.497. P. 333-338.
  10. А.Р. Тамеев, Л.Я. Перешивко, А.В. Ванников. Электрофизические свойства композитных пленок из поли-N-винилкарбазола и углеродных нанотрубок. Высокомолек. соед. А. 2009. Т.51. №2. С.235-240.

Фотоматериал

Вольт-амперная характеристика фотопреобразователя солнечной энергии

Вольт-амперная характеристика фотопреобразователя солнечной энергии

Все проекты направления "Солнечная энергетика"